Kosmische Lupe enthüllt schlafenden Riesen: Wie das James-Webb-Teleskop ein 6-Milliarden-Sonnenmassen-Schwarzes Loch wog

Die Lösung lag im Effekt der Gravitationslinse. Ein massereicher Galaxienhaufen im Vordergrund steht fast perfekt zwischen der Erde und MRG-M0138. Seine immense Schwerkraft krümmt die Raumzeit selbst, lenkt das Licht der Hintergrundgalaxie auf dem Weg zu uns ab und wirkt so wie ein natürliches kosmisches Teleskop. Diese Konstellation vergrößert das Bild von MRG-M0138 um etwa das 30-Fache und macht aus einem unauflösbaren Punkt eine Struktur, deren Kern untersucht werden kann .

Stern-Dynamik: Das Unsichtbare wiegen

Mit der vergrößerten Ansicht kam der NIRSpec-Integralfeldspektrograf des JWST zum Einsatz. Dieses Instrument erfasst ein Spektrum für jeden Pixel des Bildes und erlaubte es den Wissenschaftlern, die Geschwindigkeiten der Sterne in unterschiedlichen Abständen vom galaktischen Zentrum zu kartieren. Diese Methode ist als Stern-Dynamik bekannt – genau jenes Verfahren, mit dem 2020 die Masse des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße gemessen wurde, wofür es den Physik-Nobelpreis gab .

Sterne, die sich näher an einem supermassereichen Schwarzen Loch befinden, umkreisen es schneller. Indem das Team mithilfe der einfachen Keplerschen Gesetze modellierte, wie sich die Sterngeschwindigkeiten mit dem Radius verändern, konnte es den „Einflussbereich“ des Schwarzen Lochs identifizieren – jene Region, in der seine Anziehungskraft die Bewegung der Sterne dominiert. Dies erlaubte eine direkte Massenmessung. Vor dieser Studie lag die fernste direkte Messung per Stern-Dynamik bei einem Schwarzen Loch in lediglich 700 Millionen Lichtjahren Entfernung. MRG-M0138 pulverisiert diesen Rekord um mehr als das Zehnfache .

Das Ergebnis: Ein Gigant, der seine Galaxie lahmlegte

Die Messung bestätigte ein Schwarzes Loch von rund sechs Milliarden Sonnenmassen . Seine Heimatgalaxie MRG-M0138 ist eine massereiche, rote elliptische Galaxie, die längst aufgehört hat, neue Sterne zu bilden. Das zentrale Schwarze Loch ist inaktiv, das heißt, es zieht derzeit keine großen Mengen Gas an und erhitzt es auch nicht .

Die Funde deuten auf eine turbulente Vergangenheit hin. MRG-M0138 war einst wahrscheinlich ein strahlender Quasar, angetrieben von Gas, das in das wachsende Schwarze Loch strudelte. Die gewaltige Energieabgabe dieser aktiven Phase könnte genau jenes Gas aufgeheizt oder sogar aus der Galaxie geschleudert haben, das für die Sternentstehung nötig ist. Der heute tote, ruhige Zustand der Galaxie und der ruhende Zustand des Schwarzen Lochs hängen daher wahrscheinlich zusammen: Das Schwarze Loch wurde so groß und mächtig, dass es seine eigene Heimatgalaxie quasi erstickte .

Modelle der gemeinsamen Entwicklung auf dem Prüfstand

Diese Entdeckung trifft den Kern unseres Verständnisses, wie Galaxien und Schwarze Löcher gemeinsam wachsen. Im lokalen Universum existiert ein enger Zusammenhang zwischen der Masse eines zentralen Schwarzen Lochs und den Eigenschaften der zentralen Wölbung seiner Heimatgalaxie, was auf eine parallele Entwicklung hindeutet. Diese Messung liefert nun einen direkten Beweis, dass diese Beziehung nicht immer bestand und dass Schwarze Löcher entstehen und zu enormer Größe heranwachsen können, bevor ihre Heimatgalaxien ihren Sternaufbau vollendet haben.

Die Daten deuten darauf hin, dass einige der dichtesten Regionen im frühen Universum Schauplätze extrem schnellen Wachstums von Schwarzen Löchern waren, welches das Wachstum der umgebenden Galaxie überholte . Die Messung von MRG-M0138 stellt einfache Modelle der gemeinsamen Entwicklung in Frage, bei denen das Wachstum des Schwarzen Lochs und der Galaxie stets eng gekoppelt sind. Zukünftige Durchmusterungen mit JWST, Euclid, dem Nancy Grace Roman Space Telescope und bodengebundenen Observatorien der nächsten Generation wie dem Giant Magellan Telescope zielen darauf ab, diese Technik aus Linseneffekt und Stern-Dynamik auf viele weitere Galaxien anzuwenden. So soll ein statistisches Bild der gemeinsamen Entwicklung von Schwarzen Löchern und Galaxien über kosmische Zeiträume hinweg entstehen .